構件化數字教育資源工作室建設研究

趙玉寶　黃曉丹　朱文興

摘? ?要：在教育信息化和常態化疫情防控背景下，線上教學、線上線下混合式教學不斷增多，凸顯出數字教育資源建設和共享工作的重要性。文章基于高校在數字教育資源建設和共享方面的迫切需求，制定建設構件化數字教育資源工作室的方案;通過引入資源構件化方法，完成工作室系統分層框架設計和標準構件結構定義，進而對工作室軟硬件進行統一的構件化分類和構件實例化;最終建成了可滿足微課程創作、在線直播、遠程互動等需求，并支持功能性能柔性擴展的構件化數字教育資源工作室。研究表明，構件化數字教育資源工作室通過將軟硬件組成元素構件化、標準化，以積木組合方式組裝構件，可良好實現設計功能，同時具有資源復用率高、支持功能性能柔性擴展、適應教育信息化發展需求等優點。

關鍵詞：數字教育資源;構件化;標準化;柔性擴展

中圖分類號：G434? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1673-8454（2022）09-0096-07

《教育信息化2.0行動計劃》明確提出，“提升數字教育資源服務供給能力，有效支撐學校和師生開展信息化教學應用”，為今后教育信息化的發展指明了方向。教育信息化加速發展疊加新冠肺炎疫情影響，帶來遠程教育實際需求的增加。本文聚焦微課程創作、在線直播等學校實際問題，提出了建設構件化數字教育資源工作室的方案。通過對工作室軟硬件進行整體的邏輯分層，再創新性地采用資源構件化方法對各邏輯層進行構件化和實例化，建成了可滿足微課程創作、在線直播、遠程互動等需求的構件化數字教育資源工作室。該工作室具有應用效果好、資源利用率高、功能性能柔性可擴展等特點。

一、構件化數字教育資源工作室建設方案

（一）建設背景

教育信息化作為教育系統變革的內生動力，正在引領教育現代化的發展，推動著教育理念和模式的更新。其中，互聯網技術與教育需求、教育實踐的深度融合，促使在線教學、在線名師講堂、微課程、在線招生拓展、在線對外宣講等教育信息共享方面的應用和探索廣泛開展，構建了以網絡、多媒體、交互等現代信息技術為基礎，數字教育資源建設和共享為特點的教育新生態。

在新的教育生態下，各高校將加強支撐數字教育資源建設和共享的軟硬件建設作為一項重要工作，紛紛籌建微課程制作室、錄播室、直播室等，以滿足教育信息化的發展需求[1]。在教育信息化的助力下，知識的載體由紙質資源轉向數字資源，微課、慕課等微課程資源打破傳統課堂的時空邊界，擴大了知識傳遞的范圍，實現了信息的精確投放;教育信息的傳播方式由線下轉為線上，在線招生拓展、在線對外宣講等在線直播的信息共享方式，拓展了信息傳播和獲得的渠道。同時，我國高校大多采用多校區甚至多地辦學的模式，優質教學資源相對稀缺，利用微課程、在線直播等方式進行教學資源共享，越來越受各高校的青睞。特別是在新冠疫情防控常態化的實際情況下，線上教學、線上線下混合式教學不斷增多，甚至招生拓展、對外宣傳等傳統上多在實地開展的工作，也逐漸轉至線上推進，更加凸顯了數字教育資源建設和共享工作的重要性[2]。

如果根據數字教育資源建設和共享工作的具體需求，逐一進行資源部署，或進行多種需求簡單組合的多功能室建設，都容易導致人力、物力重復投資，標準不統一，缺少柔性擴展能力等問題，難以適應信息化需求的不斷變化和升級。針對此問題，本文提出了建設構件化數字教育資源工作室的方案，嘗試通過對工作室進行邏輯分層，減少系統內部耦合性，然后引入資源構件化方法對工作室進行標準化、構件化、實例化，提高其可復用性和可擴展性，從而達到較高的資源利用率、柔性可擴展和滿意的功能效果[3][4]。

（二）構件化數字教育資源工作室建設原則

構件化數字教育資源工作室建設原則為：①目標明確。以滿足微課程創作、在線直播等數字教育資源建設和共享工作實際需求為中心，建設有柔性、可隨教育信息化不斷發展而持續演進和升級的數字教育資源工作室。②系統性。數字教育資源工作室是軟件和硬件的綜合體，方案設計需要將軟硬件作為一個整體、一個系統，在“軟硬件”上同時發力，并進行系統性布局。③構件化和標準化。設計數字教育資源工作室系統分層框架，定義標準化構件結構，然后將數字教育資源工作室組成要素構件化，結合標準構件結構和當前技術標準，對構件進行標準化、實例化[5]。④柔性可擴展。數字教育資源工作室系統基于需求建模，采用積木組合的方式，通過標準化構件構建而成，是一個柔性系統，能夠通過部分構件的升級，快速、靈活地適應客觀需求的變化[6]。

（三）構件化數字教育資源工作室系統框架

數字教育資源工作室系統采用三層架構設計，框架如圖1所示，分為物理層、數據處理層和應用層[7]。系統框架是系統的“草圖”，框架描述的對象是直接構成系統的各個構件。框架分層是指將系統功能構件進行有序分組，應用程序專用功能構件位于上層，硬件等外部環境功能構件位于最下層，數據和業務邏輯處理功能構件位于中間層。分層從邏輯上將系統劃分成多個集合，每一層組成一個功能集合，同時層間和層內需要遵循一定的規則，下一層為上一層提供良好的接口和業務支持，層與層之間相對獨立，每一層只關心本層的業務和功能。通過分層，可以減弱系統內的關聯耦合性，系統各層的依賴關系只存在同層和下一層，這為便捷的維護、精準的故障定位和靈活的功能擴展提供了可能[8]。

1.物理層

物理層是整個數字教育資源工作室系統的硬件基礎，由音頻采集硬件、視頻采集硬件、后臺服務器、前臺展示設備、網絡搭建設備、外部環境設施等組成。物理層通過音頻和視頻采集設備捕獲音視頻信號，然后轉發至數據處理層。物理層設備廣泛存在著控制模塊，可以對上層轉發來的命令進行響應，如實現拍攝范圍的調整，以及拍攝場景的搭建、替換等。

2.數據處理層

數據處理層是數字教育資源工作室系統的軟件基礎，根據實現具體功能的操作，包括對物理層采集數據的處理和業務邏輯的處理。數據處理層連接應用層和物理層，在系統中起到承上啟下的作用。對于底層物理層而言，數據處理層是調用者;對頂層應用層而言，數據處理層是被調用者。如果將物理層采集數據比喻成“積木”，數據處理層就是實現了這些“積木”的搭建。數據處理層實現音頻信號處理、色度鍵控、虛擬場景等系統關鍵視頻技術應用，同時也實現硬件設備的網絡連接。

3.應用層

應用層直接面向用戶，是系統對外的窗口，承載著數字教育資源工作室系統的對外業務功能。系統在應用層接收用戶輸入的數據，并顯示最終處理結果，為用戶提供了一個與系統直接交互的界面。應用層支持的業務功能越豐富，數據處理層對應的業務處理邏輯就越復雜。

數字教育資源工作室系統存在兩類信息流：控制信息流和數據信息流。控制信息流往往從頂層出發，流向底層;數據信息流相反，一般從底層出發，流向頂層。控制信息流是由應用層發起的業務和功能請求，交數據處理層處理或傳遞至物理層處理形成的信息流;數據信息流是由物理層采集到的音視頻數據，傳輸至數據處理層或應用層進行處理形成的信息流。

采用分層結構的系統具有弱耦合的特性，層與層的依賴是向下的。頂層對底層是“無知”的，頂層設計的改變對底層沒有任何影響。再通過構件技術、標準構件結構定義將各層組成元素構件化、標準化，形成能夠支持可抽取、可替換、可擴展的積木式框架[9]。

二、數字教育資源工作室系統構件化實踐

（一）數字教育資源工作室系統標準構件結構設計

隨著教育需求的不斷變化、演進，需要依靠軟硬件的復用、更新、新增，實現數字教育資源工作室系統的柔性擴展，以完善和豐富數字教育資源工作室功能，保證系統的業務支持能力和系統開發的質量與效率。系統柔性擴展的關鍵在于構件的標準化，構件標準的制定以高可用性為原則。對于行業內已經應用，并被證實成熟度高、穩定性好的軟硬件構件標準，可以直接借鑒使用或按需適應性修改后使用。其余無法直接獲取的軟硬件構件標準，需要結合國家技術標準和數字教育資源工作室系統具體構件需求，從資源基本參數、對外接口、軟硬件安全要求等方面做出標準制定。如表1所示，本文采用統一的結構定義系統構件，進而構建數字教育資源工作室系統標準構件[10]。系統標準構件結構定義由資源列表和對外接口說明兩部分組成。其中，資源列表包含資源參數和相關國家參考標準;對外接口對接口的輸入、輸出參數和參數格式，以及相關國家參考標準進行了闡述。

（二）數字教育資源工作室系統構件劃分

根據數字教育資源工作室系統的三層框架設計、建設現狀和層內組成元素業務功能，對其軟硬件組成元素進行構件化劃分[11]，如表2所示。

1.物理層構件

根據系統硬件特性和功能對物理層進行構件化劃分。該層構件屬于底層構件，包含音頻采集硬件、視頻采集硬件、后臺服務器、前臺展示設備、網絡搭建設備和外部環境設備共計六類組成構件，為整個系統提供數據來源和硬件支持。

2.數據處理層構件

數據處理層將系統軟件按照功能特點進行模塊化、構件化劃分。該層包含音頻處理技術、色度鍵控技術、虛擬場景技術、視頻合成技術和直播流推送技術共計五類組成構件，屬于專業通用構件，通過常用算法、基本數據結構等，實現整個系統的數據和業務邏輯處理。

3.應用層構件

應用層構件根據用戶的業務需求和具體對外業務進行構件化劃分，屬于直接面向用戶和實現人機互動的構件。目前，系統已建設完成微課程創作模塊、教學比賽視頻創作模塊、在線招生拓展模塊、在線對外宣傳模塊、線上名師工作室模塊和遠程互動模塊共計六類組成構件，實現整個系統與用戶的交互和對外輸出[12][13]。

（三）數字教育資源工作室系統標準構件實例

根據標準構件結構設計，結合國家現行技術標準和行業通用技術參數，將數字教育資源工作室系統各組成構件進行標準化定義[14]，如表3所示。

（四）構件化數字教育資源工作室的可柔性演進

數字教育資源工作室柔性系統的開發分為三個階段（如圖2所示）：首先，根據客觀系統的組成特點抽象出三層結構的系統架構;其次，結合標準構件結構設計，獲得系統的實例化標準構件;最后，實例化構件隨客觀系統的需求變化進行同步更新。

柔性系統的開發路徑為：“客觀物理系統->系統分層架構->標準構件結構定義->系統構件實例化->系統構件實例更新->柔性系統”。系統的可柔性演進過程為：首先，基于系統的分層架構設計。分層架構設計為系統各構件的邏輯劃分和減少構件間的關聯耦合性提供了基礎。其次，基于標準構件結構定義。該定義為構件實例化和構件的更新提供了標準和依據。系統組成構件由于其標準性，容易隨著客觀需求的動態變化進行相應的調整和更新，是柔性系統建立的基礎。最后，基于系統標準構件組合方式開發。積木組合式的開發方式為構件更新調整提供了便利，也為便捷快速地適應新的系統需求提供了保障[15]。

三、構件化數字教育資源工作室應用成效

山東大學數字教育資源工作室自2020年3月開始建設以來，采用標準構件積木式組合方式，根據學校實際需求，不斷更新和擴展相應的功能構件。應用層先后有微課程創作模塊、教學比賽視頻創作模塊、在線招生拓展模塊、在線對外宣傳模塊、線上名師工作室模塊、遠程互動模塊共計六個構件上線，具備為教師提供進行微課程創作、在線直播等數字教育資源建設和共享的能力。應用層六個功能模塊構件依托同一套物理層構件，避免了硬件資源的多次投資。同時，數據處理層和應用層標準接口的定義為應用層的擴展提供了便利，減少了時間和成本支出。

另外，由于契合教師工作需要，工作室備受教師青睞。迄今為止，數字教育資源工作室共出色完成微課程創作一百余次、微課程視頻時長三百多小時，已發布在校內課程中心、網絡教學、中國大學MOOC等多個平臺，優質教學資源的共享范圍不局限于校內的“三地八校”區間，還擴大到了校外;教學比賽視頻制作五十余次，其中13門課程已入圍省級比賽決賽，不僅展示了教師的教學能力和水平，也促進了教師教學方法的交流和教學技能的提升;在線招生拓展和對外宣傳一百余次，對有招生計劃的31個省份逐個開展精準招生宣講，解答學校招生政策、招生專業、招生計劃等學生和家長關心的問題，同時啟用在線互動功能，對學生和家長的疑問進行實時解答，在線參與觀眾累計超過10萬人次，是近年來我校招生拓展工作開展的主要途徑之一，深受學生和家長的好評與認可;開展在線名師講座二十余次，保證名師工作室相關工作的平穩開展，為教師深入教學研討與課題研究、助力教育教學質量提升和打造高水平學科品牌提供積極幫助。

四、結語

數字教育資源工作室建設基于標準化構件的積木式組合，具有如下特點：①新功能擴展靈活。依據標準化構件對資源和接口的定義，新增的標準化功能構件與系統融合自然，兼容性問題少，同時可復用原系統資源，減少了投資和建設時間成本。②原有功能升級平滑。構件的標準性降低開發升級難度的同時，構件間的弱耦合性減少構件升級時對系統的影響，可實現原有功能的平滑升級。③設計功能實現效果良好。該工作室多樣化的建設和共享模式、高質量的創作水平、方便簡潔的操作、穩定流暢的直播效果、靈活實時的交互等優點，使其深受師生的好評。隨著教育信息化建設的持續深入，以及客觀需求的不斷更新，構件化數字教育資源工作室必然能為學校的教學和科研工作提供可靠保障。

參考文獻：

[1]朱春曉.互聯網+背景下協同共享教研文化形成的研究[J].教學與管理（理論版），2020（5）：50-53.

[2]黃榮懷，陳麗，田陽，等.互聯網教育智能技術的發展方向與研發路徑[J].電化教育研究，2020，41（1）：10-18.

[3]顧吉堂.構件化軟件開發及系統測試技術[J].電子技術與軟件工程，2017（20）：11-15.

[4]張貴軍，陳安，王文，等.模塊化柔性制造綜合實訓教學管理系統開發[J].實驗技術與管理，2017，34（12）：161-163.

[5]程越，張艷琦.電子商務軟件構件分類及編碼標準化研究[J].標準科學，2020（1）：35-38.

[6]曹建平，朱國濤，孫文柱，等.一種新的異構系統集成方法、框架與實現[J].計算機測量與控制，2020，28（4）：170-175.

[7]彭世金，郭平，吳雁，等.高校大型儀器設備開放共享平臺軟件設計[J].實驗技術與管理，2015（7）：257-261.

[8]吳懷林，馬志柔，劉杰，等.一種大數據分析組件的自動化開發集成方法[J].計算機應用與軟件，2016，33（7）：33-37，92.

[9]殷濤，崔佳冬.基于Android軟件開發組件化研究[J].計算機應用與軟件，2019，36（9）：16-20.

[10]周敏，王勇，張遠濤，等.基于MVC+MSSQL+EF的軟件平臺接口管理系統的設計與實現[J].計算機應用與軟件，2017，34（10）：51-58.

[11]林鐄，陳龍，路慧.高清虛擬演播室建設的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2019，38（12）：274-277，287.

[12]林喆，韓毅軍.外語實訓教學示范中心的建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2018，37（7）：165-169.

[13]藍麗萍.面向教師的高清微課制作室建設與應用[J].實驗教學與儀器，2018，35（4）：76-77.

[14]全國標準信息公共服務平臺[DB/OL].[2021-08-06].http：//std.samr.gov.cn/.

[15]毛洪川，韓潔，胡豪，等.軟件構件庫技術研究[J].科技傳播，2018，10（11）：94-96.

作者簡介：

趙玉寶，高級工程師，碩士，主要研究方向為教育技術研究與教學改革，郵箱：53289591@qq.com;

黃曉丹，工程師，碩士，通訊作者，主要研究方向為教育技術研究與教學改革，郵箱：huangxiaodan@sdu.edu.cn;

朱文興，教授，博士，博士生導師，主要研究方向為人工智能、智能駕駛技術、車聯網技術、交通流控制和教學改革，郵箱：zhuwenxing@sdu.edu.cn。

Research on the Construction Practice of Component-based

Online Education Resource Studio

Yubao ZHAO Xiaodan HUANG Wenxing ZHU

（1.Center for Teaching Promotion and Teacher Development， Shandong University， Jinan Shandong 250100;

2.School of Control Science and Engineering， Shandong University， Jinan Shandong 250061）

Abstract： Under the education informatization and normalized pandemic prevention and control， online and offline mixed teaching mode has become common， which makes the construction and sharing of digital educational resources even more crucial. Facing the urgent needs of universities in digital education resources construction and sharing， the plan of building a component-based online education resources studio has been formulated. By applying the resource componentization， it has designed the framework of the studio system， defined the standard component-based structure， and achieved unified component-based classification and instantiation of software and hardware of the studio. Eventually， the studio can not only meet the needs of micro-course creation， online broadcasting and remote interaction， but also support flexible expansion of functional performance. The modularized online education resource studio has been proved to ably realize the design functions by modularizing and standardizing the hardware and software components and assembling them in the way of building blocks. Meanwhile， it has the advantages of high reuse rate of resources， supporting flexible expansion of functional performance， and adapting to the development needs of education informatization.

Keywords： Online education resources; Componentization; Standardization; Flexible extension

編輯：王曉明? ?校對：李曉萍